深部洞室分區(qū)破裂機理與數值模擬分析研究.pdf

1、隨著淺部資源的日益減少以及人類生活空間的逐漸拓展，許多在建和規(guī)劃中的地下工程不斷走向深部;目前國內外礦產資源開采的地下巷道、交通建設的地下隧道以及水電開發(fā)的地下洞室等都已達到了千米以上的深度。隨著地下工程開挖深度的不斷增加，深部巖體工程中出現(xiàn)了一系列新的特征科學現(xiàn)象，其中分區(qū)破裂是與淺部洞室破壞模式迥異的非線性破壞現(xiàn)象，并且依靠傳統(tǒng)的連續(xù)介質力學理論無法給出圓滿的解釋。深部洞室分區(qū)破裂已成為當今巖土工程研究領域的熱點和難點，因此深入研究

2、分區(qū)破裂現(xiàn)象的產生條件、影響因素及形成機制，可為我國深部礦產資源的開發(fā)以及深部水電和交通工程的建設提供重要的科學依據，具有重要的理論意義和工程應用價值。
　　本文以埋深達千米的淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道為工程背景，開展了多種工況下的高地應力真三維地質力學模型試驗，系統(tǒng)研究了分區(qū)破裂現(xiàn)象的產生條件與影響因素;在地質力學模型試驗研究的基礎上，通過應變梯度理論和連續(xù)損傷力學建立了分區(qū)破裂彈性損傷軟化模型和分區(qū)破裂能量損傷破壞準則，提出了依

3、托ABAQUS平臺的分區(qū)破裂數值分析方法，開展了多種工況下深部洞室分區(qū)破裂的數值模擬研究，有效揭示出分區(qū)破裂的形成機制與破壞機理。論文主要研究內容如下:
　　(1)開展了高地應力條件下深部洞室多種工況的真三維地質力學模型試驗，研究了洞室形狀、應力條件和軟弱夾層對深部洞室分區(qū)破裂形成過程的影響，揭示出分區(qū)破裂的產生條件與影響因素，觀察到了圍巖內間隔分布相對完整區(qū)和破裂區(qū)，測得了洞周徑向位移、徑向應變和應力波峰與波谷交替出現(xiàn)的振蕩型變

4、化規(guī)律。
　　(2)分析了巖石應變局部化及峰后應變軟化和分區(qū)破裂現(xiàn)象之間的關系，認為在分區(qū)破裂現(xiàn)象的研究中應該考慮應變梯度的影響;基于應變梯度理論和連續(xù)損傷力學建立了分區(qū)破裂彈性損傷軟化模型;分析了巖石破壞與能量耗散之間的相關關系，根據應變能密度理論建立了分區(qū)破裂能量損傷破壞準則。
　　(3)應用Hermite插值函數構建了可考慮應變梯度效應的8節(jié)點六面體高階單元，推導了高階單元的形函數及剛度矩陣，建立了依托ABAQUS平臺